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第 46 卷 第 4 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.4 2018 年 8 月COALGEOLOGY 2. Henan Coal Geological Prospecting Institute, Zhengzhou 450052, China; 3. Collaborative Innovation Center of Coalbed Methane and Shale Gas for Central Plains Economic Region, Jiaozuo 454000, China Abstract With the rapid expansion of the scope of urban construction, the near-surface geological structure is more and more complex. The conventional drilling is difficult to meet the needs of the foundation exploration. For this reason, based on theory of complementary advantages, a new idea inversing apparent resistivity by the transient electromagnetic data under the constraint of drilling data is put forward, which combines the advantages of the transient electromagnetic TEM, such as high space sampling rate, rich geological ination, accurate determining of lateral boundary of geological body and so on, and the advantages of drilling, such as high precision vertical sounding, accurate layering and so on. A new interpretation of TEM data based on drilling constraint is given, which can better overcome the limits of traditional TEM to get high accuracy depth results difficultly and improve the depth explain ability of calculating apparent resistivity section. The goaf detection results in Haojinyuan house construction area show the new interpretation can obtain good effect, which determine a coal goaf water area about 0.01 km2in the central section, and a non-goaf area about 0.009 75 km2in the mid-east region, and infer other region are coal goaf area. Keywords TEM; drilling; apparent resistivity; coal goaf; building land 随着国民经济的飞速发展以及城市建设步伐的 不断加快， 城镇建筑用地范围不断扩大。 这使得众多 老工业采矿基地的民用以及工业建筑用地不可避免 地面临采空区等复杂近地表的调查。 由于钻探法具有 原理简单、 探测结果直观、深度定位准确以及受场地 限制小等诸多优点[1]，在建筑用地采空区调查中被广 泛应用。 但是， 钻探法在确定采空区平面展布范围和 刻画采空区边界等方面存在先天不足。 要想准确确定 ChaoXing 第 4 期海四洋等 基于钻探约束的瞬变电磁解释方法及应用175 采空区平面展布范围和边界位置只能依靠大量钻探， 这无疑会增加勘探成本。因此，寻求低成本、高效率 且可以精细确定采空区展布区域和边界的探测方法， 已成为建筑工程地基勘查的迫切需要。 作为近地表探测的重要方法技术之一，瞬变电 磁法Transient Electromagnetic ，简称 TEM 具有地形影响小、适应性强、探测效率高、地质体 平面展布范围和边界识别能力强等优点，被广泛用 于金属矿[2]、地下水[3-4]、地热[5]以及地质构造勘 查[6-7]等多个方面。特别是在煤矿水文地质勘探[7-8] 和防治水[9]方面，不论是在地面还是在煤矿井下均 可以灵活应用，呈现出良好的发展前景。其唯一不 足是确定地质体埋深的准确性较差。 迄今为止，瞬变电磁法在建筑地基勘查中的应 用相对较少。为此，从降低勘探成本和提高地下采 空区空间分布预测精度为目的，开展以地面瞬变电 磁法勘探结果为主，以钻探资料深度标定为辅的采 空区联合勘查技术研究，在河南省新密市白寨镇浩 金元住宅建设区煤层采空区探测的实际应用取得了 较为满意的效果。 1方法原理 瞬变电磁法[10-11]是一种时间域电磁感应测量方 法，主要是通过给布设在地面或空中的接地回线即 发射框或不接地闭合回线供电使其产生一次感生 磁场。一次感生磁场在地层介质中会诱发产生涡流 电流，其强度大小与地层电导率成正比。进一步， 涡流电流在地层中流动时又会产生新的二次感生磁 场，在地面布设的接收线圈中产生的感应电动势与 涡流电流的大小成正比，进而也与地层电导率成正 比， 或者说与地层电阻率成反比。 已有研究表明[12]， 感生涡流场在地表引起的二次磁场效应为地下各假 想的地层“环带”中所形成涡流电流的总效应。这 种效应与从发射回线简单向下传播的电流环等效, 因其形态类似于从发射回线中“吹”出来的“烟圈” 而被形象地称为“烟圈效应”[13]。 在实际测量中，为了避免一次磁场的干扰，发 射框供电电流为阶梯脉冲电流，即测量是在关断供 电电流之后进行。当电流瞬间断开时，地层介质中 的瞬变电磁场包括涡流电流场及其感生二次磁场 并不会马上消失，而是随时间不断衰减。依据衰减 时间的早晚，通常将瞬变电磁场分为早期场和晚期 场两个阶段。这两个阶段的场效应分别代表不同探 测深度的地质信息。依据“烟圈效应”理论，早期 场以高频信息为主，是由浅部近地表的涡流电流产 生的，主要反映地层浅部地质体的电性特征；而晚 期场因涡流电流的不断损失以低频信息为主，主要 反映深层地质体的电性特征。因此，瞬变电磁法主 要是通过测量涡流二次磁场在接收线圈中产生的感 生电动势或感生电压随时间的变化，来揭示大地 导电性的垂向变化规律[10-14]。 1.1视电阻率正、反演与时深转换 由于瞬变电磁法野外实测值并非电阻率本身， 而是涡流电流引起的二次磁场在接收线圈中产生的 感生电动势随时间的变化值。该变化值无法直观反 映地电断面结构，不利于地下地质体的推断解释。 因此， 必须要实施电阻率换算和时深转换处理[15-20]， 将实测感生电动势换算为随深度变化的地层视电阻 率值才能用于地质推断解释。 在均匀半空间一维地电断面假设条件下，经理 论推导可得晚期电阻率和深度计算公式如下[21] 2/3 00tr t 2 4π5 / S S tt V tI       1 1/4 tr t τ0τ 3 16π / S St h V tI      2  1/3 5/3 τ 4/3 00tr 16π / 3 d / /d V tI S S V tIt       3 式中t为视电阻率；0为地层介质磁导率；t 为记 录时间；St为发射线圈面积；Sr为接收线圈面积； Vt为某一时间窗口的感应电动势；I 为发射线圈供 电电流；ht为深度；为纵向电导；Vt/I 表示归一 化感应电动势。 式1式3不仅可用于大定源回线、 中心回线、 重叠回线，同时也可以用在偶极发射、接收装置，这 时视电阻率和场源与接收线圈之间的距离无关。 采集数据处理与视电阻率和深度计算主要是利 用白登海等[21]、丁艳飞等[22]开发的 BETEM 软件来 实现的，具体算法本文不再赘述。 尽管计算视电阻率不是地层真电阻率，但视电 阻率纵横向空间变化特性与真实地电断面具有良好 的一致性，可以较好地反映地下地质体的空间展布 特征。 1.2深度标定方法 一般来说，瞬变电磁法横向探测精度主要由野 外测网精度控制，通常可以达到最大测网间距的一 半左右。根据地质任务要求，合理设计测线和测点 间距完全可以满足横向探测精度的需要。然而，瞬 变电磁法的测深精度主要是由记录时间来控制的， 具有很大的不确定性。正是由于瞬变电磁法计算视 深度精度不足，为了获得高精度视深度计算结果， 实现地质体纵横向空间展布特征的精确定位。本文 ChaoXing 176煤田地质与勘探第 46 卷 作者提出采用钻探资料来实现深度标定，以期提高 视电阻率计算剖面的深度分辨率和定位精度。这是 将地面瞬变电磁法与钻探相结合的关键所在。具体 校正方法如下。 首先，选取具有详细地质分层和电性测定结果 的钻孔，按照相同深度比例绘制单孔深度柱状图。 然后，将单孔深度柱状图与过钻孔的视电阻率剖面 进行对比分析，确定深度误差，并予以校正。通常 可以采用两种方法实现深度校正。一是校正盲区深 度，即通过调整深度计算的扩散速度系数来实现深 度校正。所谓盲区是指不同频段下第一门数据对应 时间之前的无数据信号区。通常盲区深度可以利用 式1和式2由第一个数据采集时间 t0和浅部地层 电阻率通过理论计算获得。将已知钻孔位置计算得 到的视电阻率剖面按照视电阻从浅到深的变化规律 与单孔深度柱状图进行对比，当盲区位置所处地层 视电阻率特性与单孔深度柱状图相一致时，则盲区 深度与单孔深度柱状图所显示的实际深度之差即可 作为深度校正值。进一步将视电阻率剖面沿深度方 向进行整体搬家即整体加上或减去深度误差绝对 值。这种校正方法对深部数据深度校正效果欠佳， 校正精度较低，通常会出现视电阻率极值位置对应 准确而上覆地层和下部地层界面深度无法准确对应 等问题。第二种方法主要是以钻孔深度为约束，通 过调整深度计算的扩散速度系数，使新计算的视电 阻率剖面深度与钻孔揭露深度相吻合。 事实上，最优校正方案是将上述两种方法相结 合的深度校正，具体做法可简单概括为式4。 hadC4 式中 h 为校正后深度；a 为盲区校正参数；C 表示 深度计算的综合式，主要依据式2及煤系给定的常 用的深度计算参数即扩散速度而定； d 为深度调整 系数。当 d 小于 1 时深度 h 缩小，当 d 大于 1 时深 度 h 扩大。 具体实施过程中，将钻孔所在测点视电阻率深 度曲线与钻孔取心分层数据进行对比解释，标定关 键目的层煤层位置，读取视电阻率深度曲线视深 度 ht，并与钻孔深度 h 对比确定深度调整系数 d初 值可定义为 h/ht，在初值附近以一定步长不断修正 校正系数 d，利用式4反复计算直到计算视深度与 钻孔深度满足误差要求。然后将最终的深度调整系 数 d 用于全区深度校正。简单地说深度校正过程相 当于对视电阻率深度曲线沿深度方向的拉伸或压 缩。当测区面积较小且地层横向均匀变化时，通过 单孔标定一般可以获得较好的深度校正效果。当测 区面积较大且地层横向变化较大时，要想获得较为 理想的深度校正效果，需要对多个钻孔分别求取深 度调整系数，最后利用平均深度调整系数来实施深 度校正；当测区面积较大且因断裂等原因造成地层 横向剧烈变化时，可分区分块计算深度调节系数实 施深度校正。 2应用实例分析 为了说明本文方法的有效性，在浩金元住宅建 设区采空区探测中进行了相关试验。 2.1工区地质概况 浩金元住宅建设区位于河南省新密市白寨镇境 内，为一具有 17 个角点 16 条边的非规则区域，面 积约 0.075 6 km2。区内地势较平坦，北部略高，有 工业区和村庄；南部边界有陡坎。全区地面标高介 于 263.13283.38 m，最大高差 20.25 m。此外，工 区北部上空有高压线穿过，对瞬变电磁数据采集质 量可能会有一定影响。 工区内地层由老至新分别为奥陶系、石炭系、 二叠系及第四系。其中位于石炭–二叠系的含煤地 层为采空区探测的主要目的层。 含煤地层总厚度为 280 m，共含煤 7 层，煤层最大累计厚度为 6.35 m。 其中，赋存于石炭–二叠系太原组底部的一1煤层和 赋存于山西组下部的二1煤层为本区可采煤层，厚 度一般为 3 m 左右。研究区内主体构造以近东西向 的高角度断裂为主，并伴以宽缓的褶曲。区内主要 发育南升北降的高角度高庄正断层。断层走向近东 西向，断面倾角近 80，落差约 20 m。断层两侧地 层倾角近 20。此外，工区内主要包括奥陶系灰岩、 石炭系 L7-8灰岩、二1煤层顶板砂岩和老空水 4 个 含水层以及二1煤层以上煤系、 二1煤层底板砂岩或 砂质泥岩、太原组中段碎屑岩和本溪组泥岩铝土岩 4 个隔水层。全区地层电阻率分布情况见表 1。 表 1地层电阻率 Table 1ation resistivity 时代地层地层 电阻率/Ωm 反演电阻率/ Ωm 第四系 Q 黄土、砂质黏土等10402630 二叠系 P 泥岩1520 2228 砂岩6098 煤层10020 石炭系 C 泥岩、铝土岩、粉砂 岩、灰岩及煤层 4015025200 奥陶系 O 灰色层状石灰岩、白 云质灰岩 150200 ChaoXing 第 4 期海四洋等 基于钻探约束的瞬变电磁解释方法及应用177 2.2瞬变电磁野外数据采集与处理 根据勘探地质任务要求，通过室内精心设计和 野 外 试 验研 究 ， 最 终 确 定 采用 加 拿 大 生 产 的 PROTEM-57/67 地面瞬变电磁仪实施大定源回线探 测。选用 400 m500 m 发射矩形线框，发射频率 25 Hz，供电电流 17.5 A。数据采集积分时间30 s2 次，采样窗口数30 门。设计测线 21 条，测线间 距 20 m，测点间距为 10 m，见图 1。 图 1地面瞬变电磁法野外施工测网示意图 Fig.1The schematic diagram of surveying network for TEM field acquisition 对于野外采集数据，首先进行数据整理、格式 转换和去噪滤波等预处理过程。然后利用预处理结 果绘制初始多测道曲线，并根据曲线变化特点剔除 畸变点数据。剔除过程需反复进行多次直到获得满 意的多测道曲线。进一步实施关断时间校正，消除 关断效应引起的瞬变电磁响应曲线畸变，达到反映 地下真实电阻率响应的目的。在此基础上，结合已 有的地质及钻孔资料构建视电阻率反演计算模型并 确定反演参数。然后利用实测多测道曲线反演求取 各测点视电阻率视深度曲线， 并绘制视电阻率拟断面 图。 从一次反演结果中抽取井旁单一测点视电阻率视 深度曲线或相邻多点视电阻率视深度拟断面图， 将其 与钻孔柱状图进行对比分析实施钻探约束视电阻率 深度校正，具体校正过程将在下面详述。最后，利用 深度校正后的视电阻率数据绘制视电阻率拟断面图 和沿层切片图，并据此进行地质解释推断。 2.3钻探约束视电阻率深度校正 根据前述深度校正方法，抽取过本区钻孔 ZK01 的跨孔视电阻率拟断面图图 2b并与钻孔柱 状图图 2a对比。经分析解释，推断二1煤层埋深 标高大约在 180 m，相应深度位置视电阻率值大约 为 2426 Ωm。而基于 ZK01 钻孔综合柱状图给出 的二1煤层标高为 170.58 m。因此，视电阻率拟断 面图中二1煤层深度与钻孔揭示的实际深度相差约 10 m，见图 2。为此，以 ZK01 钻孔进行深度约束， 通过在纵深方向不断调整系数，进行视深度二次校 正计算，直到计算深度与钻孔所揭示的深度相吻合 为止，从而获得新的视电阻深度计算结果。图 3 显 示了从 ZK01 深度约束视电阻率计算结果中抽取的 过钻孔ZK02的跨孔视电阻率拟断面图与钻孔ZK02 综合柱状图的对比。通过对视电阻率拟断面图解释 确定二1煤层深度标高约为 180 m，相应视电阻率 值约为 25 Ωm。 而基于钻孔 ZK02 综合柱状图所揭 示的二1煤层实际标高为 178.07 m，二者相差仅仅 1.9 m。这充分说明，通过钻孔实施深度约束进行 视深度校正计算，可以极大地提高视电阻率深度 计算精度，而且这样的深度精度已经足以满足采 空区深度探测的需要。利用标定的视电阻率此处 为 25 Ωm推测煤层发育位置电阻率，以此为标准 推测全区煤层深度位置信息。 2.4采空区地质解释推断 图4给出了位于研究区中西部1140测线的视电 阻率拟断面图。图中二1煤层及高庄断层是基于前 人构造解释结果绘制的。由图可见，在测点 5 020 至 5 080 之间位于煤系附近的白色实线区域，纵向 上从浅到深依次呈现出中阻–低阻–低阻–中阻–中阻 –高阻的电性特征， 横向上视电阻率等值线变化平缓 无明显畸变，从纵向上和横向上分析，该区域视电 阻率形态均符合正常地层的电性规律，故推测为非 采空区。 在测点 5 0905 220 黑色虚线区域，视电阻 ChaoXing 178煤田地质与勘探第 46 卷 图 2过钻孔 ZK01 二1煤层视电阻率拟断面图解释深度与钻孔柱状图深度对比 Fig.2Contrast between the drilling depth in well ZK01 and the interpretation depth from apparent resistivity-depth pseudosection for the No. II1coal seam 图 3过钻孔 ZK02 二1煤层视电阻率拟断面图解释深度与钻孔柱状图深度对比 Fig.3Contrast between the drilling depth in well ZK02 and the interpretation depth from apparent resistivity-depth pseudosection for the No. II1coal seam ChaoXing 第 4 期海四洋等 基于钻探约束的瞬变电磁解释方法及应用179 图 41140 线视电阻率拟断面图 Fig.4Apparent resistivity pseudosection for line 1140 率等值线值与白色实线区相比高低起伏较大，但整 体上表现为中阻特征，推测是由于采空区而引起的 横向高阻异常。其中，位于测点 5 160 至 5 190 之间 的低阻异常，推测可能是由于断层破碎带裂隙较发 育且富水造成的。 图 5 展示了位于工区东部 1 300 测线的视电阻 率剖面图。 图中位于测点 5 060 至 5 160 之间煤系附 近的黑色虚线区域，视电阻率等值线呈平缓下降趋 势，异常不明显。结合已有地质资料推断为采空区。 该区域之所以表现为低阻特征，推测可能是煤层开 采后由于地下水聚集造成的。 为了更好地揭示煤层采空区的平面展布特征， 图 6 给出了沿二1煤层底板等高线提取视电阻率数 据绘制的视电阻率顺层切片图。由图可见，工区中 图 51300 线视电阻率拟断面图 Fig.5Apparent resistivity pseudosection for Line 1300 图 6沿二1煤层视电阻率顺层切片图 Fig.6Apparent resistivity horizontal slice along the No. II1coal seam depth ChaoXing 180煤田地质与勘探第 46 卷 部和中东部存在两个低阻异常区。中部低阻区因其 视电阻率值接近本区低阻煤系特征近似为 2224 Ωm，故推断为非采空区，其边界范围见图中短划 线所示， 面积约为 0.009 75 km2。 中东部低阻异常区 视电阻率相对较高，且等值线存在明显畸变，推测 为采空积水区，其边界范围见图中长划线所示，面 积约为 0.01 km2。钻孔 ZK02 的实际钻探结果证实 本区确为采空积水区。 除上述 2 个低阻异常区域外， 全区范围内目标层段视电阻率均大于 26 Ωm，以中 阻或中高阻异常为主，推测其均为二1煤层非积水 采空区。 3结 论 a. 基于 TEM 数据的常规视电阻率计算结果中 视深度与真深度不一致，借助钻孔深度约束实施视 电阻率深度校正，可较好地克服瞬变电磁法深度计 算精度不足的局限，显著提高视电阻率拟断面图的 深度探测精度和纵横向解释能力。 b. 基于钻探约束的 TEM 解释技术用于浩金元 住宅建设区采空区探测，精确圈定了测区中东部存 在一个面积约 0.01 km2的采空积水区。推断测区中 部存在一个面积约 0.009 75 km2的非采空区，其他 部位均为采空区。勘探成果可为后继施工提供明确 指导，有望极大地降低勘探成本。 参考文献 [1] 冉恒谦，张金昌，谢文卫，等. 地质钻探技术与应用研究[J]. 地质学报，2011，85111806–1822. 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